轿车发动机舱散热仿真及优化研究

摘要

当前，轿车逐渐倾向于低车身、小车型等流线型设计，该类车型发动机舱内空间尺寸越来越小，散热器、发动机本体和排气歧管等多个高温热源及零部件布置在一个紧凑的空间里，进而导致发动机舱内的空气流动受阻，散热比较困难。发动机舱内的温度敏感部件（如ECU、蓄电池、舱内线束、橡胶件）的性能会受到较高温度的影响，局部温度过高时，这些零部件会出现失效或损坏。
　　在这种情况下，有必要在汽车开发的前期设计阶段，合理设计整车前舱布置和组织流场，保证冷却气流充分带走发动机及其他高温热源的热量，避免在发动机舱内形成涡流区和局部高温区，从而保证发动机舱内各部件工作在最佳温度范围内。本文以汽车空气动力学和计算流体力学为基础，结合某经济型轿车车型开发，对其进行了发动机舱流场和温度场仿真分析。具体研究内容如下:
　　1.进行了发动机舱内外流场数值模拟的理论研究，确定了仿真使用的物理模型、流体状态参数、湍流模型及计算方法。
　　2.建立了发动机舱内外流场CFD计算几何模型，确定了计算域、网格布局和边界条件。
　　3.耦合轿车发动机舱内流场与外流场的方法，对其在爬坡工况、高速工况两种典型工况下进行数值模拟，研究分析发动机舱的流动特性、温度场特性、温度敏感元件的表面温度分布。
　　4.根据数值模拟分析的结果，找出造成温度分布不合理的结构布置方面的原因，同时对比分析了两种工况下部分温度敏感元件的表面温度分布。
　　5.对使用的散热器多孔介质模型进行了验证，以及对比分析了试验值和模拟计算值，进而分析本次模型和模拟结果的可靠性。
　　6.基于机舱流场特性的分析结果，研究分析了进气格栅最上端封闭与否对机舱流场及温度场的影响，以及改进汽车前保险杠结构和底架前横梁结构后换热器组进风量的变化情况。
　　7.研究了两种工况下风扇转速对上下进气格栅进气量比例、换热器组进风量、散热器出风面温度的影响，以及换热器组与风扇的最佳距离。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容及方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 本章小结

第二章 发动机舱内外流场数值模拟基本理论

2．1 计算流体动力学理论基础

2．1．1 计算流体动力学概述

2．1．2 计算流体动力学特点

2．1．3 流体动力学控制方程

2．1．4 流体流动基本控制方程离散方法

2．1．5 常用离散格式

2．2 流场数值计算的基本方法

2．3 湍流模型

2．4 热传递方式

2．5 边界条件简介

2．5．1 外流边界

2．5．2 多孔介质模型

2．5．3 换热器模型

2．5．4 风扇模型

2．6 本章小结

第三章 轿车发动机舱热管理数值分析模型研究

3．1 物理模型

3．2 计算网格

3．2．1 计算域的选取

3．2．2 网格类型确定

3．2．3 计算网格划分

3．3 边界条件

3．3．1 外部边界条件

3．3．2 换热器边界条件

3．3．3 温度壁面边界条件

3．4 计算工况

3．5 本章小结

第四章 轿车发动机舱热管理数值计算及分析

4．1 发动机舱空间流线分析

4．2 爬坡工况计算结果分析

4．2．1 发动机舱温度场和速度场分析

4．2．2 发动机舱内关键元件表面温度分布

4．3 高速工况数值计算结果分析

4．3．1 温度场和速度场分析

4．3．2 两种工况下机舱内关键元件表面温度分布对比分析

4．4 散热器压力损失模型的验证

4．5 机舱温度场试验与仿真数据对比分析

4．6 本章小结

第五章 轿车发动机舱热管理改进研究

5．1 进气格栅的影响分析

5．1．1 流场分析

5．1．2 温度场分析

5．2 前保险杠结构及底架前横梁结构的影响分析

5．3 风扇转速的影响分析

5．3．1 上下进气格栅的风量的比例的变化

5．3．2 换热器组的风量及出风面温度的变化

5．4 换热器组与风扇间距的影响分析

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果